Muão – Wikipédia, a enciclopédia livre

O muão ^{(português europeu)} ou múon ^{(português brasileiro)} é uma partícula elementar semelhante ao elétron, com carga elétrica -1 e um spin de 1⁄2, mas com uma massa muito maior (105,7 MeV/c²). É classificado como um lépton, assim como o elétron (massa de 0,511 MeV/c²), o tau (massa de 1777,8 MeV/c²), e os três neutrinos. Como é o caso com outros léptons, não se acredita que o múon tenha qualquer subestrutura; ou seja, não apresenta quaisquer partículas mais simples.^[1]

O múon é uma partícula subatômica instável, com uma vida média de 2,2µs.^[2] Entre todas as conhecidas partículas subatômicas instáveis, só o nêutron e alguns núcleos atômicos têm uma vida útil mais longa; outros decaem significativamente mais rápido.^[3] O decaimento do muão (bem como do nêutron, o bárion instável de vida mais longa), é mediada exclusivamente pela força fraca. O decaimento do múon sempre produz, pelo menos, três partículas, que devem incluir um elétron da mesma carga que o múon e dois neutrinos de diferentes tipos.^[4]

Como todas as partículas elementares, o múon tem uma antipartícula correspondente de carga oposta, mas com a mesma massa e o mesmo spin: O antimúon (também chamado de múon positivo). Múons apresentam μ- e antimúons apresentam μ+ (Ou seja cargas opostas, como ocorre também entre o elétron e o pósitron). Múons foram anteriormente chamado de mésons mu, mas não são classificadas como mésons pelos físicos de partículas modernos, e então o nome não é mais usado pela comunidade científica.

Os múons tem uma massa de 105,7 MeV/c², que é cerca de 200 vezes maior do que a massa do elétron. Devido à sua maior massa, muões não são fortemente acelerados quando se deparam com campos electromagnéticos, e não emitem tanta radiação por Bremsstrahlung. Isso permite que os múons de uma certa energia penetrem mais profundamente na matéria do que os elétrons, uma vez que a desaceleração de elétrons e múons é principalmente devido à perda de energia pelo mecanismo bremsstrahlung. Como um exemplo, os chamados "múons secundários", gerados por raios cósmicos que atingem a atmosfera, podem penetrar a superfície da Terra, e até mesmo em minas profundas.

Já que os múons têm uma grande massa e energia em comparação com a energia de decaimento da radioatividade, eles nunca são produzidos por decaimento radioativo. Eles são, no entanto, produzidos em grandes quantidades em interações de alta energia em matéria normal, em certos experimentos do acelerador de partículas com hádrons, ou naturalmente nas interações de raios cósmicos com a matéria. Essas interações costumam produzir mésons pi inicialmente, que na maioria das vezes decai para múons.

Os múons foram descobertos por Carl D. Anderson e Seth Neddermeyer na Caltech, em 1936, ao estudar a radiação cósmica. Carl Anderson tinha notado partículas que se curvavam de um jeito diferente dos elétrons e outras partículas conhecidas quando passavam por um campo magnético. Eles eram carregados negativamente mas curvavam acentuadamente menos do que os elétrons, porém de forma mais acentuada do que prótons, para partículas de mesma velocidade. Assume-se que a magnitude da sua carga elétrica negativa é igual ao do elétron, e então para ter em conta a diferença de curvatura, supôs que a sua massa era maior do que a do elétron, porém menor do que de um próton. Assim Anderson, chamou inicialmente a nova partícula de mésotron, adotando o prefixo meso da palavra grega para "meio". A existência do múon foi confirmada em 1937 pelo experimento da câmara de nuvem feito por J.C. Street e CE Stevenson.^[5]

Uma partícula com uma massa na faixa méson havia sido previsto antes da descoberta de quaisquer mésons, pelo físico teórico Hideki Yukawa.^[6]

"Parece natural modificar a teoria de Heisenberg e Fermi, da seguinte maneira. A transição de uma partícula pesada a partir do estado de nêutron para o estado de próton não é sempre acompanhada pela emissão de fótons. A transição é por vezes ocupada por uma outra partícula pesada."

Por causa de sua massa, o méson mu foi inicialmente pensado para ser partícula de Yukawa, mas mais tarde provou-se possuir propriedades erradas. A partícula prevista por Yukawa, o méson pi, foi finalmente identificada em 1947 (novamente a partir de interações de raios cósmicos), e mostrou ser diferente do méson mu descoberto anteriormente por ter as propriedades corretas para ser uma partícula que media a força nuclear.

Com duas partículas conhecidas agora com a massa intermediária, o termo geral méson foi adotado para se referir a qualquer partícula dentro da faixa de massa correta entre elétrons e núcleos. Além disso, a fim de diferenciar entre os dois tipos diferentes de mésons após o segundo méson ter sido descoberto, a partícula mésotron foi inicialmente renomeada para méson mu (a letra grega μ (mu) corresponde a m), e o novo méson descoberto em 1947 (partícula de Yukawa ) foi nomeado como méson pi.

Mais tarde, como foram descobertos mais tipos de mésons em experimentos nos aceleradores de partículas, foi finalmente descoberto que o méson mu se diferia significativamente não só do méson pi (de aproximadamente a mesma massa), mas também de todos os outros tipos de mésons. A diferença, em parte, é que os múons não interagem com a força nuclear, como mésons pi fazem (e eram obrigados a fazer, na teoria de Yukawa). Mésons mais recentes também mostraram evidências de se comportarem como o méson pi em interações nucleares, mas não como o méson mu. Além disso, os produtos resultantes do decaimento dos múons incluíam tanto um neutrino e um antineutrino, ao invés de apenas um ou outro, como se observa no decaimento de outros mésons carregados.

No modelo padrão da física de partículas da década de 1970, todos os outros mésons, com exceção do múon, foram finalmente entendidos como hádrons, ou seja, partículas constituídas de quarks e, portanto, sujeitos à força nuclear. No modelo de quark, um méson já não era definido pela massa (para alguns havia sido descoberto que eram muito grande, mais do que núcleos), mas em vez disso eram partículas compostas de exatamente dois quarks (um quark e antiquark), ao contrário dos bárions, que são definidos como partículas compostas por três quarks (prótons e nêutrons são os bárions mais leves). Mésons mu, no entanto, tinham se mostrado partículas fundamentais (léptons), como os elétrons, sem estrutura quark. Assim, mésons mu não eram mésons de forma alguma, no novo sentido, a utilização do termo méson é usado como o modelo de quark da estrutura da partícula.

Com esta mudança na definição, o termo méson mu foi abandonado e substituído sempre que possível com o termo moderno múon, tornando o termo méson mu apenas histórico. No novo modelo de quarks, outros tipos de mésons, por vezes, continuaram a serem referidos na terminologia mais curta (por exemplo, píon de méson pi), mas no caso do múon, ele manteve o nome mais curto e nunca mais foi devidamente referido pelo ser termo mais velho "méson mu".

O eventual reconhecimento do "mu méson" múon como um simples "elétron pesado" com nenhum papel na força nuclear, parecia tão incongruente e surpreendente na época, que o ganhador famoso do Prêmio Nobel I.I. Rabi brincou: "Quem pediu isso?"

No experimento de Rossi-Hall (1941), os múons foram usados para observar a dilatação do tempo previsto pela relatividade especial, pela primeira vez.

Múons que chegam na superfície da Terra são criados de maneira indireta como produtos de colisões entre raios cósmicos e partículas da atmosfera terrestre.^[7]

Cerca de 10.000 múons chegam em cada metro quadrado da superfície da Terra por minuto; essas partículas carregadas se formam como um subproduto da colisão entre raios cósmicos e moléculas da parte superior da atmosfera terrestre. Por viajarem em velocidades relativísticas, os múons conseguem penetrar dezenas de metros em rochas e outros materiais antes de serem atenuados como resultado de serem desviados ou absorvidos por outros átomos.^[8]

Quando um próton de um raio cósmico colide com núcleos atômicos da alta atmosfera, mésons pi (píons) são criados. Esses píons, após uma distância relativamente curta (da ordem de metros), decaem em múons (produto de decaimento mais provável dos píons) e neutrinos de múons. Os múons destes raios cósmicos de altas energias geralmente continuam a viajar aproximadamente na mesma direção que os prótons originais, com velocidades próximas à da luz. Embora o tempo de vida dos múons sem efeitos relativísticos permitiria uma distância de meia-vida de aproximadamente, no máximo, apenas 456 metros (2.197μs × ln(2) × 0.9997 × c), o efeito de dilatação temporal da relatividade restrita (do ponto de vista da Terra) permite muons secundários dos raios cósmicos sobreviverem a viagem até a superfície terrestre, já que no referencial da Terra os múons têm uma meia vida maior devido a sua velocidade. Do ponto de vista do múon (referencial inercial), por outro lado, é o efeito da relatividade restrita da contração do comprimento que permite essa penetração, já que no referencial do múon o seu tempo de vida não é afetado, mas, devido aos efeitos da relatividade restrita, as distâncias na atmosfera terrestre ficam muito mais curtas no referencial do múon do que no referencial da Terra. Ambos efeitos (dilatação temporal e contração do comprimento) são maneiras igualmente válidas de explicar a distância de meia-vida atipicamente longa de múons em altas velocidades.^{[carece de fontes?]}

Já que os múons são extraordinariamente penetrantes, assim como os neutrinos, a detecção deles é possível muito abaixo do solo (700 metros abaixo do solo no detector Soudan 2, em Minnesota) e debaixo d’água, onde eles formam grande parte da radiação ionizante de fundo. Assim como raios cósmicos, a essa radiação de múons secundários também é direcional.^{[carece de fontes?]}

A mesma reação nuclear descrita acima (impactos hádron-hádron produzem feixes de píons, que então, em curtas distâncias, rapidamente decaem em feixes de múons) é utilizada por físicos de partículas para produzir feixes de múons, tendo como exemplo o feixe utilizado para o experimento múon g-2.^[9]

O múon foi a primeira partícula elementar não encontrada em átomos comuns a ser descoberta. No entanto, os múons, podem formar átomos muônicos, substituindo elétrons nos átomos comuns. Átomos muônicos de hidrogênio são muito menores do que os átomos de hidrogênio, porque a massa do múon que é muito maior dá-lhe uma função de onda do estado fundamental muito mais localizada do que se observa no elétron. Em átomos com múltiplos elétrons, quando apenas um dos elétrons é substituído por um múon, o tamanho do átomo continua a ser determinado pelos outros elétrons, e o tamanho atômico é quase inalterado. No entanto, nestes casos, a orbital do múon continua a ser menor e muito mais perto do núcleo do que as orbitais atômicas dos elétrons.

O hélio muônico é criado pela substituição de um dos elétrons para um múon no hélio-4. As órbitas do múon ficam mais perto do núcleo, assim o hélio muônico, portanto, pode ser considerado como um isótopo do hidrogênio cujo núcleo consiste de dois nêutrons, dois prótons e um múon, com um único elétron fora. Coloquialmente, poderia ser chamado de "hidrogênio 4.1", uma vez que a massa do múon é aproximadamente 0,1 au. Quimicamente, o hélio muônico, possui um elétron de valência não pareado, podendo ligar-se com outros átomos, e se comportando mais como um átomo de hidrogênio do que um inerte átomo de hélio.^[10]

Um múon positivo, quando encontra matéria comum, não é capturado por um próton, pois as duas cargas positivas repelem, nem é atraído também pelos núcleos des átomos. Em vez disso, ele se liga a um elétron aleatório e com ele elétron forma um átomo exótico conhecido como Muónio. Nesse átomo, o múon atua como núcleo. O múon positivo, neste contexto, pode ser considerado um pseudo-isótopo de hidrogênio com um nono da massa do próton. Como a massa do elétron é muito menor do que a massa do próton e do múon, a massa reduzida do muônio e, portanto, seu Raio de Bohr, é muito próxima da do hidrogênio. Portanto, esse par múon-elétron ligado pode ser tratado em uma primeira aproximação como um "átomo" de vida curta que se comporta quimicamente como os isótopos de hidrogênio (prótio, deutério e trítio). Tanto os múons positivos quanto os negativos podem fazer parte de um átomo de pi-mu de vida curta que consiste em um múon e um píon de carga oposta. Esses átomos foram observados na década de 1970 em experimentos no Laboratório Nacional de Brookhaven e no Fermilab.^[11][12]

Os múons são muito usados para tomografia comercial, pois eles têm uma maior penetração em relação em comparação com os raios X e raios gama. Logo a imagem dos múons pode ser usada em corpos mais espessos e maiores. Pode-se obter imagens de contêineres de carga com materiais nucleares blindados, assim consegue-se detectar explosivos ou outro contrabando, sendo esse um exemplo de tomografia comercial.^[13]

Em 1950, detectava-se pela primeira vez a profundidade da sobrecarga de um túnel da Austrália^[14] utilizando a técnica de radiografia de transmissão de múons baseada em fontes de raios cósmicos. Posteriormente, em 1960, a mesma técnica foi utilizada para procurar possíveis câmaras ocultas na Pirâmide de Quéfren em Gizé.^[15] Consequentemente, em 2017, obteve-se resultados relatando-se a descoberta de um grande vazio pela observação de múons de raios cósmicos.^[16]

Uma nova técnica, Tomografia de Espelhamento, é desenvolvida em 2003 no Laboratório Nacional de Los Alamos. Consiste na reconstrução de cada partícula na trajetória de entrada e saída, equivalente aos tubos de deriva de alumínio selados.^[17] Desde o desenvolvimento desta técnica, várias empresas começaram a usá-la.

Foi feito um acordo contratual, em agosto de 2014, entre a Corporação Internacional de Ciências de Decisão e a Toshiba com o intuito de utilizar os detectores de rastreamento de múons na recuperação do complexo nuclear de Fukushima.^[18] Para descobrir onde estão os materiais radioativos nos reatores de Fukushima, os cientistas estão usando duas técnicas. Eles estão disparando as partículas múons nos reatores. Ao analisar como essas partículas se comportam dentro dos reatores, é possível criar imagens que mostram onde estão os núcleos dos reatores. A técnica de varredura está sendo usada na Unidade 1, foi a mais danificada, e espelhamento de múons na Unidade 2.^[19] O Instituto Internacional de Pesquisa para Descomissionamento Nuclear (IRID) no Japão e a Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia (KEK) chamam o método que desenvolveram para a Unidade 1 de "método de permeação de múons"; 1200 fibras ópticas para conversão de comprimento de onda acendem quando os múons entram em contato com elas.^[20] Após um mês de coleta de dados, espera-se revelar a localização e a quantidade de resíduos de combustível ainda dentro do reator. As medições começaram em fevereiro de 2015.^[21]

O momento de dipolo magnético anômalo é a diferença entre o valor observado experimentalmente e o previsto teoricamente pela equação de Dirac. As medidas e previsões do momento de dipolo magnético são muito importantes nos testes de precisão da Eletrodinâmica Quântica (QED). Os experimentos E821,^[22] em Brookhaven, e o Múon g-2, no Fermilab, estudaram a precessão do spin do múon devido à um campo magnético externo constante, enquanto estes circulavam em um anel de confinação. O experimento Múon g-2 reportou^[23] em 2021:

${\displaystyle a={g-2 \over 2}=0,00116592061(41)}$

A previsão teórica para o valor do momento de dipolo magnético anômalo do múon inclui três partes:

${\displaystyle a_{\mu }^{SM}=a_{\mu }^{EW}+a_{\mu }^{EW}+a_{\mu }^{had}}$

A diferença entre os fatores-g do múon e do elétron, deve-se à diferença em suas massas. Devido ao fato da massa do múon ser maior, os cálculos teóricos do momento de dipolo magnético do múon têm contribuições mais importantes provenientes do Modelo Padrão de interação fraca e envolvendo hádrons, enquanto estes efeitos não são importantes no caso do elétron. O momento de dipolo magnético anômalo do múon também se é sensível à contribuições da chamada física além do Modelo Padrão, como a supersimetria. Por esta razão, o momento de dipolo magnético do múon é normalmente usada como uma prova para a física além do Modelo Padrão, ao invés de ser um teste para a QED.^[24] O Múon g-2, um novo experimento no Fermilab envolvendo o ímã E821 adquirido de Brookhaven, melhoraram a precisão das medidas.^[25]

Em 2020 um time internacional de 170 físicas e físicos calcularam a mais acurada previsão teórica para o valor do momento magnético anômalo do múon.^[26][27]

O múon g-2 (leia “gê menos dois”) é um experimento em física de partículas, realizado no Fermilab, para medir o momento de dipolo magnético anômalo do múon com uma precisão de 0,14 ppm,^[28][29] se tornando um teste de sensibilidade para o Modelo Padrão.^[30] O experimento também poderá fornecer indícios da existência de partículas totalmente novas.^[31] Em 2021, o experimento apresentou os primeiros resultados que aumentaram a discrepância entre o valor teórico e experimental para 4.2 desvios padrão.^[32]

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O limite experimental do momento de dipolo elétrico do múon,  e·cm obtido pelo experimento E821 em Brookhaven, é ordens de magnitude maior que a previsão teórica fornecida pelo Modelo Padrão. A observação de um momento de dipolo elétrico do múon diferente de zero pode fornecer uma fonte adicional de violação da simetria CP (do inglês para carga-paridade). Uma melhoria em duas ordens de grandeza na sensibilidade no limite obtido em Brookhaven é esperado do experimento do Fermilab.

• Muografia

Referências

• «NMI3: Iniciativa Europeia de neutrões e muões» 
• «Estudo esclarece questão chave da física de partículas»